Úton az első magyar műhold
2012/4. lapszám | Tóbiás Gábor | 3392 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Talán nem túlzás azt állítani, hogy 2012. február 13. történelmi dátum Magyarország számára, ugyanis ezen a napon juttatta az űrbe az Európai Űrügynökség (ESA – Europian Space Agency) az első magyar műholdat. A Masat-1 névre hallgató szerkezet teljes egészében magyar fejlesztés, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) két villamoskari tanszéke (Elektronikus Eszközök Tanszék, Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék), valamint a BME Űrkutató Csoport hallgatóinak, doktoranduszainak és oktatóinak több mint négyéves munkája kellett ahhoz, hogy megvalósulhasson a projekt.
Az első magyar fejlesztésű műholdat a Vega nevű hordozórakéta nyolc másik szatellittel együtt juttatta Föld körüli pályára, a fellövés az Egyenlítő közelében fekvő Francia Guyanán található Kourou európai űrközpontban történt. A Masat név egyébként egy mozaikszó, a magyar és a satellit szavak összevonásából ered. A műhold lényegében egy 10x10x10 centiméteres kisméretű kocka, úgynevezett pikoszatellit. A műhold megépítése a CubeSat nevű szabvány alapján történt. A kis méretet a költséghatékonyság indokolta, viszont minden fő szerkezete olyan, mint egy nagy műholdnak.
Éppen ezért a fejlesztőcsapatnak ma már nem jelentene gondot egy nagyobb méretű műhold megalkotása sem. „Négy évnyi fejlesztés hosszúnak tűnik. Eltérően a többi egyetemtől, ahol részegységeket vesznek, és abból próbálják összerakni a kis műholdjukat, itt a fiúk igyekeztek mindent maguk fejleszteni. Némi háttérsegítséggel ugyan, de minden a Műszaki Egyetemen készült” – mondta megkeresésünkre Dr. Gschwindt András, a Masat-1 Fejlesztői csoport projektvezetője. A műhold készítésénél úgy kellett optimalizálni az áramköröket, hogy a szerkezet ne haladja meg az egy köbdeciméteres méretet. Mindemellett a készítők a lehető legtöbbet akarták kihozni a projektből: azaz minél több tapasztalatot és tudást kívántak megszerezni.
„Feltűnően sok, közel 150 telemetria csatornánk van a műholdba építve. Ez az információ azt jelenti, hogy minden részegység legkisebb működési zavarát vagy funkcióját követni tudjuk, hiszen nagyon kíváncsiak vagyunk arra, hogy a világűrben mi történik, hogyan működik a szerkezet, amit egyébként teljesen hétköznapi alkatrészekből raktunk öszsze”. Nem volt elég pénz ahhoz, hogy megvásárolják az ún. űrminősített alkatrészeket, ezért használtak „polcról levett” alkotóelemeket. Olyan közönséges integrált áramköröket, processzorokat, nagy integráltságú áramköröket használtak, melyek már egy mobiltelefontól kezdve minden bonyolultabb vagy jobban integrált berendezésben megtalálhatók.
Persze ügyeltek arra, hogy minőségi alkatrészek kerüljenek a Masatba, és szimulálták is rajtuk azokat a hatásokat, melyek majd a világűrben érik őket. Tehát senkinek egy szava sem lehet, ha bármelyik alkatrész meghibásodik, hiszen alapvetően nem az űrbe készültek.
Egyelőre erről szó sincs, a Masat-1 hibátlanul működik. „A műholdat távirányítással lehet működtetni, egy kétutas rendszert kell elképzelni. Egyrészt ki lehet olvasni, hogy mi történik fönt, és ha úgy gondolom, akkor bármikor közbe tudok avatkozni. Le tudom kapcsolni a fogyasztókat, vagy mást változtatni a rendszeren. A műholdban található átviteli rendszer eddig nem volt használatos.
Nem lehet azt mondani, hogy ez szabadalom vagy forradalmi újítás lenne, de kétségtelenül műszakilag új megoldásról van szó. A nagyszerű ötlet az volt benne, hogy olyan egyszerű áramkörökkel csináljuk meg, amivel maga az átviteli rendszer is új, de ugyanakkor a kisáramkörök alkalmazása is érdekes és új marad” – vázolta a kutatás vezetője.
Ráadásul a műhold adóvevője ugyanolyan jellegű integrált áramkör, mint amivel a garázsajtókat nyitjuk. Nyilván speciális alkalmazásban és elrendezésben, de ugyanezeket az áramköröket használjuk mi is, itt a Földön.
Hogyan működik?
Ha a műhold felépítését középről haladva kezdjük vizsgálni, akkor először a fedélzeti számítógépet találjuk meg. Ez az egység felügyel mindenre. Ezen kívül a műholdban található egy energiaellátó rendszer, ami részben azért felel, hogy a Napból érkező sugárzást elektromos energiává konvertálja.
A műholdban található stabilizáló rendszer feladata, hogy úgy állítsa be a Masat térbeli pozícióját, hogy részben az antennája a Földre sugározzon, részben pedig a pörgése során a hőátadást biztosítsa. Ez egy viszonylag nagy energiafogyasztású eszköz, az első két hétben be sem kapcsolták. A felsoroltakon kívül még egy kommunikációs rendszer is helyet kapott a műholdban. A Masatot egyik oldalról nagyon nagy hősugár-terhelés éri, a másik oldalról pedig nagy hideg.
„A kettő közötti egyensúlyt megtartani nagyon nehéz. Ezt csak úgy lehet elérni, mint hússütésnél: egy kicsit pörgetni kell a dolgot, mindezt úgy, hogy vízszintesen álljon az antennája a Föld felé. Az egész komplexum működtetése pontosan ugyanazokat az alapproblémákat tükrözi, mint amik egy nagy műhold esetében jönnek elő”
– meséli Dr. Gschwindt András.
A fedélzeti számítógép
Mint már föntebb említettük, ez felügyeli az egész rendszert, ez rendezi sorba az adatokat, és készíti elő arra, hogy a műhold a telemetria rendszerein keresztül lesugározza Földre. Továbbá a Földről kapott jeleket is ez fogadja. Gyakorlatilag az egész műhold működését irányítja, ezért szerepe nagyon fontos.
Ebből kifolyólag a megbízhatóság rendkívül fontos szempont volt a tervezése során. Két, megegyező egységből áll, melyek hidegtartalék rendszert alkotnak. Az OBC1 és OBC2 teljesen megegyeznek. Ugyanaz a program fut rajtuk, és azonos módon kapcsolódnak a műhold egyéb egységeihez. A tápegység gondoskodik arról, hogy egy időben csak az egyikük működjön. A fedélzeti számítógép egy négyrétegű, nyomtatott huzalozású lemezre lett felépítve.
Az áramkör tartalmazza a két számítógép összekötéséhez és a vezérlő jelek összekapcsolásához szükséges részleteket is.
Az energiaellátó-rendszer
Az energiaellátó-rendszer feladata a műholdon található elsődleges és másodlagos energiaforrások kezelése, valamint az ezekből érkező energia szétosztása a fedélzeti alegységek számára. A rendszer működése kulcsfontosságú a küldetés szempontjából, így alapvető tervezési szempont volt a megbízhatóság.
A műhold többi alaprendszeréhez hasonlóan az energiaellátó rendszer is redundáns felépítésű, egypont-meghibásodás ellen védett. A Masat-1 műhold elsődleges energiaforrását a kocka hat oldalán elhelyezett napelemek alkotják, melyek a műholdpálya napos szakaszán biztosítják a működéshez szükséges energiát. A napelemtáblák hat, egymástól független napelemillesztő áramkörön keresztül csatlakoznak a szabályozatlan energiasínre.
A napelemmodulokból származó teljesítmény összegzése soros leválasztó diódákon keresztül történik, így elkerülhetjük a nem megvilágított vagy meghibásodott ág felé visszafolyó áram kialakulását. A műholdpálya árnyékos szakaszán napenergia hiányában másodlagos energiaforrásra van szükség, melynek szerepét egy egycellás Li-ion akkumulátor tölti be.
Az akkumulátor közvetlenül kapcsolódik a fedélzeti energiasínre, így az energiasín szabályozatlan, aktuális feszültségét az akkumulátor töltöttségi állapota határozza meg. Az energiabusz szűrését buszkapacitások biztosítják, melyek ugrásszerű terhelésváltozás esetén korlátozzák a buszfeszültség túlzott változását és a zavarok terjedését. A fedélzeti alrendszerek számára szükséges 3,3 V-os tápfeszültséget a két, hidegtartalékolt feszültségcsökkentő konverter állítja elő, a szabályozatlan buszfeszültségből. A műholdfedélzeti energiaszétosztás a stabilizált 3,3 V-os feszültségszinten történik, az áramhatároló kapcsolók segítségével. Egyébiránt ez egy ugyanolyan akkumulátor, amit a Földön már megszokhattunk, annyi a különbség, hogy ez vákuumban is üzemképes.
A stabilizáló rendszer
Ez egy aktív stabilizáló rendszer, ami a Föld mágneses terét és a saját maga által gerjesztett mágneses teret használja a stabilizációhoz. Az ADCS kártya a fedélzeti számítógép és a rádiós kommunikációs rendszer között helyezkedik el.
Tartalmazza az ADCS-érzékelőket és a mikrovezérlőt, amely összegyűjti az adatokat, és I2C protokoll segítségével elküldi a központi számítógépnek őket. A tekercseket vezérlő, szintén a panelen található teljesítményerősítő beavatkozó jelét is a mikrovezérlő állítja elő. Az erősítő fokozat egy térvezérelt tranzisztorokból álló hídkapcsolás, a tekercsek a híd túloldalán találhatók. A tekercsek átlagáramát a beavatkozó jel vezérli, amelynek a frekvenciája állandó, a kitöltési tényezője változik.
Az ADCS-ről az adatok a központi számítógépen keresztül jutnak a rádiós kommunikációs rendszerhez. Ez lehetővé teszi azt, hogy telemetriai adatok jussanak el az ADCS-ről a földi állomásokhoz, és így beállíthatók a vezérlő működési módjai, valamint a paraméterei.
A szerkezet
A szerkezet feladata, hogy az egyes komponensek számára megfelelő rögzítést és védelmet biztosítson a külső hatások ellen. A szerkezeti elemek két fő csoportba oszthatók: elsődleges szerkezeti elemek és egyéb rögzítő elemek. Az elsődleges szerkezeti elemek biztosítják szerkezet mechanikai stabilitást, adják meg műhold vázát, míg a másodlagos szerkezeti elemek biztosítják, hogy az egyes villamos alkatrészek, panelek megfelelően legyenek rögzítve.
A szerkezet anyaga repülőgépipari alumínium, amelyet a magas színvonalú megmunkálás tesz alkalmassá a speciális feladat ellátására. A szerkezetnek meg kellett felelnie a felbocsátással járó extrém gyorsulásoknak, illetve vibráció okozta stressz- hatásoknak, továbbá megfelelő védelmet kellett biztosítania a világűri környeztet hatásai ellen (pl. sugárzás, extrém hő terhelés stb.).
A földi állomás
Általában el szokták feledni, hogy egy műholdnak önmagában semmi értelme nem lenne, ha nem kapcsolódna hozzá egy földi vevőállomás. Az állomáson pedig egy nagyon jó antenna- és feldolgozórendszernek kell lennie, ami követi és kiszedi azokat a jeleket, melyeket a műhold sugároz, esetenként 3000 kilométeres távolságról.
A földi állomás tehát egy nagy érzékenységű vevőrendszer egy nagy nyereségű antennával, amit egy számítógép vezérel és forgat. Egyébként a földi állomás központi vezérlőjének a Mérnöktovábbképző Intézet ad otthont, az antennarendszer pedig a BME „E” épületének tetején kapott helyet.
Különleges pálya
A műhold elliptikus pályán mozog, ennek pedig főleg környezetvédelmi oka van. Korábban az volt a terv, hogy egy indiai hordozórakéta viszi föl a Masatot, és akkor egy hat-nyolcszáz kilométer magas körpályára állt volna. Miért szerencsésebb, hogy nem így történt?
A műhold élettartama nagyobb, mint tízezer év, viszont elektronikus élettartama jó esetben maximum egy év. Egy funkcióját vesztett műhold gyakorlatilag űrszemétté válik, és a világűr szennyezettsége ma már elég nagy problémát jelent. A mostani elliptikus pályának földközeli pontja „csupán” háromszáz kilométer magasan van, és ezen a magasságon már vannak olyan részecskék, melyek fékezik a műhold mozgását. (Így is nagyon gyorsan mozog, 27 000 km/h a sebessége.) Körülbelül három év múlva a Masat annyira lelassul majd, hogy visszatér az atmoszférába, és el fog égni. Ez egy érdekes újítása volt az ESA-nak, hogy a várhatóan rövid ideig működő műholdakat olyan pályára tegye, ami gyakorlatilag önmegsemmisítő, így nem termelünk űrszennyet.
Három a magyar igazság (plusz egy a ráadás)
Hazánknak ez volt a negyedik próbálkozása a műholdépítés területén. „A siker kulcsa az volt, hogy nagyon lelkes és elszánt diákokat találtunk a feladat elvégzéséhez. Még 2006-ban behoztunk nekik egy mintát, hogy így néz ki egy kis műhold. Ránéztek, körbeszaglászták, és azt mondták: egy ilyet meg kell csinálni” mesélt Dr. Gschwindt András a kezdetekről. Ahogy készült a műhold, úgy sikerült támogatókat is szerezni a projekt megvalósításához. Nehéz megmondani, hogy mennyibe is került az egész, mert a pénzadományok csak egy részét képezték a támogatásoknak.
Több cég is inkább berendezést adott, így jutottak a fejlesztők például antenna-forgatómotorhoz és adóvevőhöz. A támogatások harmadik pillérét pedig azok a szolgáltatások, munkák adták melyeket a diákok nem végezhettek el: ilyen például a tetőn végzett antennaszerelés, amit profi antennaszerelők csináltak meg. „Ezek értékeit, plusz azt az értéket, amit a hallgatók beletettek projektbe, föl sem lehet becsülni.
Egy ilyen projekt becsült világpiaci ára nagyjából egymillió dollár. Messze ez alatt maradtunk, ebben egészen biztos vagyok. A miénkben nagyon sok diákmunka volt, ez pótolta a pénzhiányt, és roppant nagy szerencsénk volt abban is, hogy a fellövéshez sikerült ingyenes starthelyet találni.” Azt, hogy mekkora munkáról van szó, jól mutatja, hogy a Masat-1 kifejlesztése megközelítőleg 56 000 mérnökórát vett igénybe. Miért jó, hogy van magyar műhold?Magyarországnak egyelőre csak megfigyelői státusza van Európai Űrügynökségben. Ahhoz, hogy teljes jogú tagok lehessünk, pont ilyen sikeres projektekre van szükség. Ugyanakkor a Masat-1 fejlesztése révén a mérnöki csapat olyan gyakorlati tudásra tett szert, amire még magasabb színvonalú oktatást és mérnökképzést lehet alapozni. A műhold megépítése erősítette az együttműködést az oktatási intézmények, kutatóhelyek és ipari partnerek körében, és jócskán növelte Magyarország elismertségét nemzetközi fórumokon, segített kiépíteni külföldi szakmai és tudományos vonalon új kapcsolatokat.
